基于物联网的温室大棚管理控制系统设计方案分析

◆王 浩

(山西农业大学信息学院 山西 030620)

基于物联网的温室大棚管理控制系统设计方案分析

◆王 浩

(山西农业大学信息学院 山西 030620)

物联网在温室大棚管理控制中的应用起到了非常突出的效果，对温室的湿度、温度、通风、光照等可进行详细的分析。本文针对物联网的温室大棚管理控制系统设计方案做出了进一步探究，全面介绍了物联网技术，对物联网的智能化温室工程整体方案、具体方案、关键技术分析给出了指导与建议。

物联网；温室大棚；管理系统；设计方案

0 引言

温室大棚管理系统中，要对大棚内部的温度、湿度、二氧化碳含量、光照强度、土壤情况实时进行掌握，可有效保障内部农作物在良好的环境下生长。目前，较多的大棚采用的不同的设备来保障好农作物的生长。例如：通风系统、外遮阳、暖风机等。但这些设备皆需要人工进行实时监控操作，有很多不方便之处。目前，为了给农作物提供更好的生长环境，对大棚内的各项参数实现准确的调控，逐步建立起智能大棚管理控制系统，对各项参数实施有效的智能调节，进行自动化管理。

1 物联网技术简介

物联网是目前发展非常迅速的一种网络信息体系，其构成的主要模块有RFID射频识别模块、GPS体系和不同的传感单元【1】。无线网络属于一种传输信息的媒介，是实施智能化的感知识别系统，互联传输以及信息计算处理。

物联网的结构体系层次通常分为：

（1）感知层。处理信息的系统收获各种需要进行监控或者处理的信息，利用RFID技术以及网络传感器来实现。

（2）网络层。该层的主要功能负责对信息进行传输，其中包含网络传感器的相关信息和上层模块传送的控制信息。

（3）应用层。应用底层获取的感知数据与不同的应用进行结合，完成对数据的处理以及管理。

在农业这一领域中，将物联网技术引入，可将传统的管理模式改变。现代的科技水平将人力和机械改革为智能化信息管理系统，将农业管理的水平进行了全面提升，并且使农作物得到了更好的进行生长环境，提高产量。

2 基于物联网的智能化温室工程整体方案

2.1 温室基础结构

温室利用条形的结构基础，以砖石架构为砌体进行砌筑。冻层低于挖深，将苯板以直立的形态放置于基础的内侧实施保温，骨架结构是立柱钢管。

2.2 温室覆盖材料

在智能温室的顶部，覆盖的浮法玻璃厚度为4mm，具有90%的透光率。顶部和四周的材料采用专用的铝型材料【2】，用橡胶条将其密封好，这样的施工使大棚具有采光和密封性能好、强度比较高和阻燃能力强的特征。

2.3 温室通风系统

利用机械进行通风的形式，选择负压实施排风，在温室中设立等距离的进风口。选用构造简单，可靠牢固、噪声比较小的轴轮式风机。其优势在于安装非常便捷，通风效果非常突出，安全性强。在进风口处加设湿帘，可起到调节温度的作用。

2.4 内遮阳保温系统

该项系统利用对光照进行调节，有效的改变了内部的整体环境。在装置中有进行遮光的材料，可以将过强或者过多的光线进行滤除。并且，保温材料构成的封闭空间，可很好的起到保温的功效。

2.5 自然通风装置

在温室大棚的顶部架设自动开闭窗装置，也就是在每一个屋脊处架设电驱动的电动窗。利用定时控制以及人工对其发出的指令进行开闭的操作，在合适的自然通风环境下，室内温度可以得到很好的把控，更加适合农作物的生长。

2.6 温室灌溉系统

灌溉的模式一般采用喷灌与滴灌互相结合。其中，喷灌是在一定的压力条件下将水和养分利用驱动喷头旋转均匀的进行灌溉。滴灌利用塑管将水以及养分利用毛管分支上的滴头实施局部灌溉。

2.7 室内补温系统

基于温室的建设环境是在我国的华北地区，因此对温室进行补温非常重要。可采用碘钨灯，灯距控制在3m左右，在深冬时节便可进行补温。

2.8 温室控制系统

在温室内可直接引入温室控制系统。现代的温室控制系统皆可以进行远程对各项参数进行控制，构成良好的灌溉环境。

2.9 施肥控制系统

在温室内该项系统也可以直接引入，可结合自身温室的条件对不同的施肥控制系统进行选择。目前的施肥控制系统皆可以通过自适应的施肥单元将肥料注入到灌溉管道中，之后再通过滴灌的模式进行施肥【3】。施肥控制系统已经完全实现了定时进行施肥以及定量进行施肥的功能。

2.10 传感单元

传感单元可以设置在温室的四周墙壁、屋顶以及土壤中，对周围的环境进行实时测量，有效对温度、湿度、环境情况进行控制。

3 温室大棚系统具体设计方案

3.1 系统应用平台设计

该项系统主要的功能包括传感器对各项数据的收集和查询、远程控制系统、参数设置以及知识库系统等。

传感器查询系统：每一个传感器皆有对数据进行历史查询的功能，利用列表的形式进行展现，按时间默认进行排序。该系统可以按照不同的时间段进行查询，利用以时间为横轴，传感器的数据为纵轴的二维趋势图，这样更加方便进行查看。

预警通知预处理系统：该系统在设备现场会进行一系列的例行检测，当设备存在异常现象时，系统会将信息发送至相关责任人的手机中【4】。在系统对温室实施自动调节控制之后，内部的数据参数如果仍然超出设定的数据，也会将警报信息发送至联系人的手机中，以便责任人能够快速对其进行相应的处理。

设备远程控制以及参数设置：远程控制分为手动以及自动控制，其中手动控制是利用PC终端，手机智能终端等对PLC电机、遮阳帘、侧壁薄膜卷帘以及PVC管、喷头等实现通风降温以及遮阳。自动控制系统既为系统的对电机进行远程操控，设备参数的设置主要是对远程收集设备以及照相装置实施参数设置。

系统用户管理：该系统可以进行用户登录、角色和权限管理等功能。例如：用户可在该项系统中进行增加、删除、更改、查询。用户可以利用系统对相关数据进行调取，并且可以控制温室内的相关设备。

3.2 系统硬件设计

温室大棚系统硬件依据进行控制的流程可以分为三部分：收集数据、传输数据、执行控制处理。（如图一所示)利用AT89S52单片机为核心关键主操控器，对温室内的FM-KWS温湿度传感器、BF-FC-GZ光照传感器、wi10171土壤温湿度传感器以及LC02-A1二氧化碳浓度传感器实施参数收集。收集数据的部分应用单片机，将有待测量的不同数据变化的电流进行收集，之后对数据进行细致的处理，最后通过无线网络将其传送到数据中心，应用检验平台实施算法分析，制定最后的决策，以便自动将命令发出。这样便能很好的对温室内的各项数据进行控制，使温室内的农作物生长环境处于最佳的状态，提升农作物的质量和品质。

图1 硬件组成框图

4 关键技术分析

4.1 无线传感器网络构建

由于温室内需要传输的数据对线路传输速率没有较高的要求，ZigBee无线网络技术将传统的有线网络进行了替代，使其更具有操作可行性【5】。ZigBee技术具有较多的优势，其中包括距离短、复杂程度低、功耗消耗低、成本低以及双向通信等。无线传感器网络属于分布式的网络，由在监控范围内部署的大量传感器节点构成。传感器在网络可灵活设置，可随意更换位置，利用无线的形式构成多跳自组织网络。利用传感器的强大功能，对监控范围内被感知的对象实施数据收集，以便之后进行处理和传输。

4.2 温室大数据分析

温室内传感器节点收集的农作物各项生长参数，会在大数据分析中心存储。大量的精准数据组成了农作物生长情况监控，异常情况警报、关联数据分析、决策支持的来源数据。利用对相关数据的相关性分析，结合分析之后的情况制定最佳参数设定值，可对农作物的生长变化进行预测以及常见灾害进行预警（如图2所示）。

图2 温室大数据结构

4.3 实施数据收集显示分析以及参数的设置

大棚内的数据收集主要应用传感器定时上传数据系统、视频以及图像动态数据系统。监测的数据有设置在棚内的监控点负责采集获取的，基于无线传感器网络收集数据，将传感器的数据经过汇聚节点输送至数据中心，利用WEB等形式显示出来，传感器节点进行数据发送的具体流程（如图3所示）。

图3 传感器节点数据流程图

5 结束语

物联网相关技术是目前信息发展的重要方向，可以应用该项技术将人工管理改革成智能管理，加快我国农业发展的脚步。我国是科技大国，更是农业大国，将传统的农业管理利用高科技进行改变，可有效的提升农作物的产量，实现农业的大丰收。此外，农业的巨大发展空间为物联网技术的使用提供了更加广阔的平台。因此，随着该项技术的不断发展，能够帮助农业发展的脚步加快，实现智能化生产以及管理，全面将我国农业科技的发展水平进行提升。

[1]梁瑞华.基于物联网技术的温室大棚智能管理系统构建[J].河南农业大学学报，2016.

[2]廖建尚.基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法[J].农业工程学报，2016.

[3]文燕.基于物联网智能温室大棚系统的构建[J].信息与

[4]王怀宇，赵建军，李景丽，张玉新.基于物联网的温室大棚远程控制系统研究[J].农机化研究，2015.

[5]潘金珠，王兴元，肖云龙，赵国珍，徐楠.基于物联网的温室大棚系统设计[J].传感器与微系统，2014.电脑(理论版)，2015.